(57)【要約】指紋スプーフィングオブジェクトを検出するための方法は、指紋センサにおいてオブジェクトの存在を検出する検出ステップと、オブジェクトの存在を検出することに応じて、指紋センサの電極のセットからの１つ以上の信号に基づいて、オブジェクトの物理的特性のセットを測定する測定ステップと、を含む。物理的特性のセットは、オブジェクトの皮下コンプライアンス及びオブジェクトの表面付着性の少なくとも一方を含む。方法は、１つ以上の物理的特性に基づいて、オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別する区別ステップを更に含む。【選択図】図１４Ａ
2019527426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋センサにおいてオブジェクトの存在を検出する検出ステップと、
前記オブジェクトの前記存在を検出することに応じて、前記指紋センサの電極のセットからの１つ以上の信号に基づいて、前記オブジェクトの皮下コンプライアンス及び前記オブジェクトの表面付着性の少なくとも１つを含む、前記オブジェクトの物理的特性のセットを測定する測定ステップと、
１つ以上の前記物理的特性に基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別する区別ステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記区別ステップは、
前記物理的特性のセットの１つにそれぞれ対応し重み付けされる因子の総計に基づいて信頼性スコアを計算するステップと、
前記信頼性スコアが所定のしきい値を超えることに応じて、前記オブジェクトを実際の指として区別するステップと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電極のセットを用いて前記オブジェクトの表面パターンの画像を獲得する獲得ステップと、
前記表面パターンがユーザに関連付けられる指紋データに一致すると判定することに応じて、及び前記オブジェクトを実際の指と区別することに応じて、前記ユーザの認証を始めるステップと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電極のセットを用いて前記オブジェクトの表面パターンの画像を獲得するステップを更に含み、
前記皮下コンプライアンスを測定するステップは、前記オブジェクトの前記表面パターンの前記画像の２つ以上の部分を比較するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記指紋センサは隆起している縁によって囲まれ、
前記隆起している縁は、前記指紋センサのセンシング面に対して隆起し、
前記画像の２つ以上の部分は、前記指紋センサの第１領域と、前記指紋センサの１つ以上の第２領域とから獲得され、
前記第２領域はそれぞれ、前記指紋センサの前記第１領域よりも前記隆起している縁に近い、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記画像の前記２つ以上の部分のそれぞれの部分に対して、前記部分の全画素の強度に基づいて、前記部分に対して計算される強度値を定めるステップと、
前記２つ以上の部分のいずれかの計算される強度値が、前記２つ以上の部分の他のいずれかの計算される強度値から、少なくともしきい値だけ異なると判定することに基づいて、前記オブジェクトをスプーフィングとして区別するステップと、を更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記指紋センサ上に前記オブジェクトの前記存在を検出した後の事前設定された制限時間内に、前記オブジェクトの前記表面パターンの前記画像を獲得するステップを実施する、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記指紋センサを機械式ボタン上で支持するステップと、
前記ボタンの作動前に、前記指紋センサ上に前記オブジェクトの前記存在を検出することに応じて、前記指紋センサから前記オブジェクトの表面の第１画像を獲得すること、及び前記ボタンが作動している間、前記指紋センサから前記オブジェクトの前記表面の第２画像を獲得することによって、前記オブジェクトの前記皮下コンプライアンスを測定するステップと、を更に含み、
前記区別ステップは、前記オブジェクトの前記表面の前記第１画像を、前記オブジェクトの前記表面の前記第２画像と比較することに基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第１の力を測定することと、
前記オブジェクトの表面パターンの第２画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第２の力を測定することと、によって、前記表面付着性を測定するステップを更に含み、
前記第２の力は前記第１の力よりも後に測定され、
前記第２の力は前記第１の力よりも小さく、
前記区別ステップは、前記第１画像と第２画像との間のコントラストの違いに基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
第１周波数で第１送信（ＴＸ）信号が前記指紋センサの電極の第１セットに印加される一方で、前記第１ＴＸ信号の逆位相バージョンが前記指紋センサの電極の第２セットに印加されることに応じて、ＲＸ電極で生成される第１受信（ＲＸ）信号の第１振幅を定めるステップと、
第２周波数で第２ＴＸ信号が前記指紋センサの電極の第１セットに印加される一方で、前記第２ＴＸ信号の逆位相バージョンが前記指紋センサの電極の第２セットに印加されることに応じて、前記ＲＸ電極で生成される第２受信（ＲＸ）信号の第２振幅を定めるステップと、
前記第１振幅及び前記第２振幅の少なくとも１つが第１許容範囲の外側に存在すると判定すること、並びに前記第１振幅及び前記第２振幅の比率が第２許容範囲の外側に存在すると判定することの少なくとも一方に基づいて、前記オブジェクトをスプーフィングとして区別するステップと、
によって、前記オブジェクトの導電率を測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
指紋センサの電極のセットに結合され、前記指紋センサにおいてオブジェクトの表面パターンを感知するように構成されるハードウェアスキャンエンジンと、
前記ハードウェアスキャンエンジンに結合されるスプーフィング検出ロジックと、を備え、
前記スプーフィング検出ロジックは、前記指紋センサにおいて前記オブジェクトの存在を検出することに応じて、前記電極のセットからの１つ以上の信号に基づいて前記オブジェクトの物理的特性のセットを測定するとともに、１つ以上の前記物理的特性に基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別するように構成され、
前記物理的特性のセットは、前記オブジェクトの皮下コンプライアンス及び前記オブジェクトの表面付着性の少なくとも一方を含む、指紋センシング回路。
【請求項１２】
前記スプーフィング検出ロジックは、前記物理的特性のセットの１つにそれぞれ対応し重み付けされる因子の総計に基づいて信頼性スコアを計算するとともに、前記信頼性スコアが所定のしきい値を超えることに応じて、前記オブジェクトを実際の指として区別するように更に構成される、請求項１１に記載の指紋センシング回路。
【請求項１３】
前記指紋センサを囲み、前記指紋センサのセンシング面の上方に少なくとも０．２ミリメートルだけ隆起している縁を更に備え、
前記スプーフィング検出ロジックは、前記指紋センサの第１領域と、前記指紋センサの１つ以上の第２領域とから獲得される、前記オブジェクトの前記表面パターンの画像の２つ以上の部分を比較することによって前記皮下コンプライアンスを測定するとともに、前記２つ以上の部分のいずれかの部分の計算される強度値が、前記２つ以上の部分の他のいずれかの計算される強度値から、少なくともしきい値だけ異なると判定することに基づいて、前記オブジェクトをスプーフィングとして区別するように更に構成され、
前記指紋センサの１つ以上の第２領域はそれぞれ、前記指紋センサの前記第１領域よりも前記隆起している縁に近い、請求項１１に記載の指紋センシング回路。
【請求項１４】
機械式ボタンを更に備え、
前記指紋センサは前記機械式ボタンの上部に位置付けられ、
前記機械式ボタンは、前記指紋センサに作動力が加えられることに応じて作動するように構成され、
前記スプーフィング検出ロジックは、
前記ボタンの作動前に、前記指紋センサ上に前記オブジェクトの前記存在を検出することに応じて、前記指紋センサから前記オブジェクトの表面の第１画像を獲得することと、
前記ボタンが作動している間、前記指紋センサから前記オブジェクトの前記表面の第２画像を獲得することと、
前記オブジェクトの前記表面の前記第１画像を、前記オブジェクトの前記表面の前記第２画像と比較することに基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別することと、
によって、前記オブジェクトの前記皮下コンプライアンスを測定するように更に構成される、請求項１１に記載の指紋センシング回路。
【請求項１５】
前記スプーフィング検出ロジックと結合される力センサを更に備え、
前記力センサは、前記オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第１の力を測定するとともに、前記第１の力を測定した後、前記オブジェクトの表面パターンの第２画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第２の力を測定するように構成され、
前記第２の力は前記第１の力よりも小さく、
前記スプーフィング検出ロジックは、前記第１画像と前記第２画像との間のコントラストの違いに基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別するように更に構成される、請求項１１に記載の指紋センシング回路。
【請求項１６】
前記指紋センサの前記電極のセットは、
受信（ＲＸ）電極と、
前記ＲＸ電極に、第１信号経路を経て結合される送信（ＴＸ）電極の第１セットと、
前記ＲＸ電極に、前記第１信号経路とは異なる長さを有する第２信号経路を経て結合されるＴＸ電極の第２セットと、
を更に備え、
前記ハードウェアスキャンエンジンは、前記オブジェクトが前記指紋センサに存在する間、第１周波数で、第１ＴＸ信号を前記ＴＸ電極の第１セットに印加する一方、前記第１ＴＸ信号の逆位相バージョンを前記ＴＸ電極の第２セットに印加することによって、第１ＲＸ信号を生成するとともに、第２周波数で、第２ＴＸ信号を前記ＴＸ電極の第１セットに印加する一方、前記第２ＴＸ信号の逆位相バージョンを前記ＴＸ電極の第２セットに印加することによって、第２ＲＸ信号を生成するように構成され、
前記スプーフィング検出ロジックは、
前記第１ＲＸ信号の第１振幅を定めることと、
前記第２ＲＸ信号の第２振幅を定めることと、
前記第１振幅及び前記第２振幅の少なくとも１つが第１許容範囲の外側に存在すると判定すること、並びに前記第１振幅及び前記第２振幅の比率が第２許容範囲の外側に存在すると判定することの少なくとも一方に基づいて、前記オブジェクトをスプーフィングとして区別することと、
によって、前記オブジェクトの導電率を測定するように更に構成される、請求項１１に記載の指紋センシング回路。
【請求項１７】
指紋センサと、
前記指紋センサに結合される指紋センサコントローラと、
前記指紋センサに結合され、スプーフィング検出結果に基づいてリソースに対するアクセスを許可するように構成されるホストデバイスと、
を備える、指紋センシングシステムであり、
前記指紋センサコントローラは、
前記指紋センサにおいてオブジェクトの表面パターンを感知し、
前記指紋センサにおいて前記オブジェクトの存在を検出し、
前記オブジェクトの前記存在を検出することに応じて、前記指紋センサの電極のセットからの１つ以上の信号に基づき前記オブジェクトの物理的特性のセットを測定し、
１つ以上の前記物理的特性に基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別することによって、前記スプーフィング検出結果を生成するように構成され、
前記物理的特性のセットは、前記オブジェクトの皮下コンプライアンス及び前記オブジェクトの表面付着性の少なくとも一方を含む、指紋センシングシステム。
【請求項１８】
前記ホストデバイスは、
前記指紋センサコントローラから前記表面パターンの画像を受け取り、
前記表面パターンをユーザと関連付けられる指紋データとマッチングし、
前記表面パターンを前記指紋データとマッチングすることに基づいて、及び前記スプーフィング検出結果に基づいて、前記ユーザを認証する、
ように更に構成される、請求項１７に記載の指紋センシングシステム。
【請求項１９】
前記指紋センサコントローラと結合される力センサを更に備え、
前記力センサは、前記オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第１の力を測定するとともに、前記第１の力を測定した後、前記オブジェクトの表面パターンの第２画像を獲得している間、前記オブジェクトが前記指紋センサに加える第２の力を測定するように構成され、
前記第２の力は前記第１の力よりも小さく、
前記指紋センサコントローラは、前記第１画像と前記第２画像との間のコントラストの違いに基づいて、前記オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別するように更に構成される、請求項１７に記載の指紋センシングシステム。
【請求項２０】
前記指紋センサの前記電極のセットは、
受信（ＲＸ）電極と、
前記ＲＸ電極に、第１信号経路を経て結合される送信（ＴＸ）電極の第１セットと、
前記ＲＸ電極に、前記第１信号経路とは異なる長さを有する第２信号経路を経て結合されるＴＸ電極の第２セットと、
を更に備え、
ハードウェアスキャンエンジンは、前記オブジェクトが前記指紋センサに存在する間、第１周波数で、第１ＴＸ信号を前記ＴＸ電極の第１セットに印加する一方、前記第１ＴＸ信号の逆位相バージョンを前記ＴＸ電極の第２セットに印加することによって、第１ＲＸ信号を生成するとともに、第２周波数で、第２ＴＸ信号を前記ＴＸ電極の第１セットに印加する一方、前記第２ＴＸ信号の逆位相バージョンを前記ＴＸ電極の第２セットに印加することによって、第２ＲＸ信号を生成するように構成され、
スプーフィング検出ロジックは、
前記第１ＲＸ信号の第１振幅を定めることと、
前記第２ＲＸ信号の第２振幅を定めることと、
前記第１振幅及び前記第２振幅の少なくとも１つが第１許容範囲の外側に存在すると判定すること、並びに前記第１振幅及び前記第２振幅の比率が第２許容範囲の外側に存在すると判定することの少なくとも一方に基づいて、前記オブジェクトをスプーフィングとして区別することと、
によって、前記オブジェクトの導電性を測定するように更に構成される、請求項１７に記載の指紋センシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は、2016年11月10日に出願した米国特許仮出願第62/420,327号、2016年11月9日に出願した米国特許仮出願第62/419,769号及び2016年7月20日に出願した米国特許仮出願第62/364,684号の利益を主張する、2017年3月22日に出願した米国特許出願第15/466,670号の利益の国際出願であり、これら出願の全内容を参照により本明細書に援用するものとする。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、指紋センサの分野に関するものであり、特に指紋センサ用スプーフィング検知技術に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
キャパシタンスセンシングシステムは、キャパシタンスの変化を反映する電極上で生成される電気信号を感知することで機能する。このようなキャパシタンスの変化は、タッチイベント又は指紋の隆線及び谷の存在を示す。指紋センシングを、携帯用ハンドセット、パーソナルコンピュータ及びタブレット等の様々なユーザインタフェースデバイスに対するセキュリティ及びバリデーション応用のために使用できる。指紋検出のためにキャパシタンスセンシングを使用することで、高いコンフィギュアビリティをもって、センサをユーザインタフェースデバイスの表面に位置付けできる。すなわち、センサは全てのデバイスに対して単一の位置に拘束されるわけではない。むしろ、指紋センサを特定の工業デザインに便利な位置又はユーザエクスペリエンスを最適化するデバイス位置に配置できる。
【０００４】
キャパシタンスベースの指紋センサは、センサ電極等の容量性感知素子のキャパシタンスを測定することと、指紋の隆線（又は谷）の存在又は不在を示すキャパシタンスの変化を検出することとによって機能する。感知素子のアレイ上の識別可能な位置に存在する隆線及び谷を使用して、登録、バリデーション及びセキュリティ応用のために指紋の画像を再構成できる。指紋の隆線が感知素子と接触すると、指紋の隆線が引き起こすキャパシタンスの変化が検出される。容量性感知素子から測定されるキャパシタンスをディジタル値に変換する電気回路によって、感知素子のキャパシタンスの変化を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】指紋センシングシステムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】指紋センサコントローラの実施形態を示すブロック図である。
【図３Ａ】静電気放電（ＥＳＤ）保護リングを有する指紋センサの実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】一実施形態に従う、指紋画像の部分領域を示す図である。
【図４】一実施形態に従う、指紋センサ及びボタンアセンブリの断面図を示す。
【図５】一実施形態に従い、スプーフィングを検出するために、カバー範囲試験を用いて様々な材料を試験した結果を示す図である。
【図６】一実施形態に従い、様々な材料に対して記録されたコントラスト値の継続サンプルを示す図である。
【図７Ａ】一実施形態に従う力センサの回路図を示す。
【図７Ｂ】一実施形態に従う力センサの動作中に生成する信号を示す。
【図８Ａ】一実施形態に従う指紋センサモジュールの断面図を示す。
【図８Ｂ】一実施形態に従う指紋センサモジュールの断面図を示す。
【図９】一実施形態に従い、異なる指に対して直接測定した力及び画像コントラストの関係を示す図である。
【図１０】一実施形態に従い、様々なスプーフィング材料に対して直接測定した力及び画像コントラストの関係を示す図である。
【図１１】指紋センサの実施形態を示す図である。
【図１２】インピーダンスセンシング回路の実施形態を示す図である。
【図１３】インピーダンスセンシング回路の実施形態を示す図である。
【図１４Ａ】一実施形態に従い、スプーフィングオブジェクトを検出するためのプロセスを示す図である。
【図１４Ｂ】一実施形態に従い、スプーフィングオブジェクトを検出するためのプロセスを示す図である。
【図１５】一実施形態に従い、インピーダンスセンシング回路に対するベースラインを較正するプロセスを示す図である。
【図１６】一実施形態に従う力測定プロセスを示す図である。
【図１７Ａ】一実施形態に従い、オブジェクトの複素伝導性を測定するプロセスを示す図である。
【図１７Ｂ】一実施形態に従い、オブジェクトの複素伝導性を測定するプロセスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示は、限定することなく例示として、添付図面の図に図示される。
【０００７】
以下の説明は、特許請求の範囲に記載の主題の幾つかの実施形態を良く理解するために、特定のシステム、構成要素及び方法の例等の多数の特定の詳細を明らかにする。しかしながら、当業者にとって、これらの特定の詳細が無くても、少なくとも幾つかの実施形態を実践できることが明らかである。他の例では、特許請求の範囲に記載の主題を不必要に曖昧にすることを防止するために、周知の構成要素又は方法が、詳細には説明されず、又は単一のブロック図の形式で描写されている。したがって、明らかにされる特定の詳細は、例示に過ぎない。特定の実装はこれらの例示的詳細とは異なることがあり、依然として特許請求の範囲に記載の主題の精神内及び範囲内であると考えられる。
【０００８】
指紋認証方式によって保護されるシステムに不正にアクセスする一技術がスプーフィングである。スプーフィングとは、実際の人の指を模造する人工オブジェクトである。特に、スプーフィングは保護されるシステムにアクセスする権限を与えられたユーザの指紋パターンを複製し、保護されるシステムを欺いてアクセスを許可させるためにスプーフィングは指紋センサ上に配置されることがある。指紋スプーフィングは、権限を与えられた標的ユーザが残した指紋から作られる。例えば、標的ユーザの協力無しに、ある表面から指紋を集めることができる。様々な技術と、鋳造物（例えばゼラチン、グリセリン座剤、木材用接着剤、グラファイトスプレー、ラテックス及びケイ素）及び鋳物（例えばレーザ印刷スライド、プリント回路基板（ＰＣＢｓ）、レーザエッチング、アクリル、プレイドー（登録商標）、成形可能なプラスチック及びケイ素）を含むがこれに限定されない材料とを用いてスプーフィングは生成され得る。スプーフィング攻撃を防ぐために、指紋センシングシステムは、スプーフィングオブジェクトを拒否して権限を与えられたユーザの指紋データ又は実際の指紋として登録された指紋データとスプーフィングが一致することを防止しながら、実際のヒトの指紋をマッチング又は登録アルゴリズムに通すべきである。
【０００９】
指紋センシングシステムの一実施形態は、指紋センサ上に配置される指又はスプーフィングオブジェクトの、１つ以上の機械的又は電気的特性を測定することによって、指紋スプーフィング攻撃を妨げる。その後機械的又は電気的特性を用いて、実際の指とスプーフィングオブジェクトとの間を区別できる。一実施形態では、指紋センシングシステムは、多数の計測可能な機械的又は電気的特性の１つにそれぞれ対応する、重み付けされた因子の合計に基づくスプーフィング検出結果を生成する、多因子評価システムを実装する。
【００１０】
実際の指をスプーフィングオブジェクトから区別するために使用できる機械的特性の１つは、皮下コンプライアンスである。人間の指は、指紋の特徴（例えばアーチ、ループ、渦巻き等）を保持し、下部の軟組織及び硬い骨によって支持される、硬い皮膚外表面を有する。皮下コンプライアンスは、皮膚の下の軟組織の弾性の度合いである。この特性は、スプーフィングオブジェクトに複製するのが困難であるため、実際の指とスプーフィングオブジェクトとの間で区別するために、皮下コンプライアンスを測定でき使用できる。
【００１１】
ある実施形態では、称される指の、隆起している縁によってくぼみ又は境界が作成される指紋センサのセンシング区域を均等にカバーする能力を観察することで、皮下コンプライアンス特性を測定することができる。一実施形態では、指紋センサのセンシング面に対して隆起している静電気放電（ＥＳＤ）保護リングによって、指紋センサの境界を作る。スプーフィングオブジェクトは一般に、実際の指と同じ皮下コンプライアンス特性を持たないため、スプーフィングオブジェクトをくぼんだ指紋センサに適用して、指では容易に達成できるように、センシング面を完全かつ均等にカバーすることは困難である。センシング面のカバー範囲を、指紋センサが獲得する画像にわたるコントラストの変化から定めることができる。したがって、画像の様々な区域間でのコントラストの違いを用いて、指とスプーフィングとの間を識別することができる。
【００１２】
一実施形態では、機械式ボタン上に配置される指紋センサによって、オブジェクトの皮下コンプライアンスを測定することもできる。機械式ボタンによって、ボタンの押下前及び押下中に、加えられる力を異なるレベルとして、称される指の表面の画像を獲得することを容易にする。これら画像間のコントラストの変化は、オブジェクトの皮下コンプライアンス特性に対応し、したがってコントラストの変化を用いて指とスプーフィングとの間で区別することができる。
【００１３】
一実施形態では、ボタン押下中に獲得される画像に対するコントラストのダイナミックレンジを用いて、指とスプーフィングオブジェクトとの間を区別する。実際の指に関して、ボタン押下の過程にわたって検出される最大画像コントラストは一般に、スプーフィングオブジェクト、特に非弾性スプーフィングに関する最大画像コントラストよりも高い。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等のスプーフィング材料は、加えられる力の上昇に応じてネガティブコントラスト変化を示し、それゆえに区別され得る。
【００１４】
指紋センシングシステムの一実施形態は、実際の指とスプーフィングオブジェクトとの間を、表面付着性に基づいて区別する。そのようなシステムは、力センサを用いて、オブジェクトが指紋センサに加える力を測定する一方で同時にコントラスト変化を測定する。指の表面付着性によって、皮膚表面が指紋センサに付着することにより加えられる力が減少した後にコントラストは減少しないという結果になる。したがってシステムは、指を、この特性を示さないスプーフィングオブジェクトから区別できる。
【００１５】
一実施形態では、指紋センシングシステムは、オブジェクトが指であるかスプーフィングであるかを、オブジェクトの複素伝導性を測定することによって判定する。特に、システムは、オブジェクトが、電極の異なるセット間において、信号を結合する能力を試験する。システムは、送信（ＴＸ）信号で電極の第１セットを駆動し、ＴＸ信号の逆位相バージョンで電極の第２セットを駆動する。ＴＸ信号及び逆位相ＴＸ信号が、非類似の信号経路を経て受信（ＲＸ）リスナー電極に結合される。
【００１６】
低導電率を有するスプーフィング材料（例えばシリコーン、木材用接着材、プラスチック等）は、オブジェクトによる小さなＴＸ−ＲＸ結合によって拒否される。高導電率を有するスプーフィング材料（例えばエッチングされ又はレーザカットされたプリント回路基板、フレキシブルプリント回路（ＦＰＣｓ）、金属箔等）は、ポジティブＴＸ信号がオブジェクトによる結合を通じて逆位相ＴＸ信号によって補償されるため、結果として生じるＴＸ−ＲＸ結合の小さな振幅に基づいて拒否される。
【００１７】
一実施形態では、指紋センシングシステムは、測定される機械的特性及び電気的特性のそれぞれに関する評価因子を計算する。ここで、評価特性は、対応する特性に基づいて評価される、オブジェクトが実際の指である可能性を示す。システムは、重み付けされた評価因子の合計に基づいて全体信頼性スコアを更に計算する。信頼性スコアをしきい値と比較して、オブジェクトを指として区別するか又はスプーフィングとして区別するかを最終的に判定することができる。
【００１８】
図１は、計測される物理的及び電気的特性に基づいて、指をスプーフィングオブジェクトと区別する指紋センシングシステム１００の実施形態を示す。指紋センシングシステム１００は、シリアル・ペリフェラル・インタフェース（ＳＰＩ）１１１経由で指紋センサコントローラ１２０に結合されるホストデバイス１１０を含む。指紋センサコントローラは、指紋センサ１３０に結合される。指紋センサ１３０は、指紋センサ１３０のセンシング面上に配置されるオブジェクトの表面を撮像する容量性センサ電極のアレイを含む。
【００１９】
他の機能の中で、指紋センサコントローラ１２０は、指紋センサ１３０上のオブジェクト（例えばユーザの指の指紋）の表面パターンの画像を取得するために、指紋センサ１３０へ信号を送信し、指紋センサ１３０からの信号を受信する。その後指紋センサコントローラ１２０は、取得した画像をＳＰＩ１１１経由でホストデバイス１１０に安全に送信してホストデバイス１１０でユーザの認証を始め得る。ホストデバイス１１０は、取得した画像とユーザに関連付けられるデータベース内の指紋データとのマッチングに基づいてユーザを認証する。ユーザを認証する際に、ホストデバイス１１０はリソースに対するアクセスを許可し、例えばホストデバイス１１０を、認証の成功に応じてロック解除して、ユーザインタフェース又はファイルシステムに対するアクセスを許可する電話又はラップトップコンピューター等のモバイルデバイスとすることができる。
【００２０】
指紋センサコントローラ１２０は、スプーフィング検出機能性も提供する。一実施形態では、指紋センサコントローラ１２０は、測定したオブジェクトの物理的又は電気的特性に基づいて、指紋センサ１３０上のオブジェクトを指であると又はスプーフィングオブジェクトであると区別し、その後オブジェクトが指であると区別したときのみに、オブジェクトの表面パターンの画像を送信する。代替的な構成では、指紋センサコントローラ１２０は、物理的又は電気的特性の測定値又は当該測定値に基づく評価因子をホストデバイス１１０に送信するため、ホストデバイス１１０は、指紋画像のマッチングに加えて、スプーフィング検出計算を実施できる。
【００２１】
図２は、一実施形態に従うコントローラ１２０の指紋センシング回路構成を示す。指紋センサコントローラ１２０は、指紋の撮像、指の存在の検出、スプーフィング検出及びホストデバイス１１０との通信等の機能を促進する、いくつかの回路モジュール及びロジック構成要素を含む。
【００２２】
これらのモジュールの１つは、指紋センサ１３０の電極に接続できる複数のセンシングチャンネルを含むハードウェアスキャンエンジン２０１である。センシングチャンネルは、指紋センサ１３０から指紋画像を取得するために、電極を用いて相互容量又は自己容量のセンシングを実施する。一実施形態では、キャパシタンス値を、キャパシタンスの増加に対応して増加する計数値として測定することができる。したがって、指紋画像のある画素に対する高値は、指紋の隆線等の導電性特徴の存在を示す。
【００２３】
状態機械２０４は、指紋センサコントローラ１２０の他のモジュールを作動させるシーケンスを決める。状態機械２０４が決める状態間の遷移を、指紋検出器２０３、スプーフィング検出器２０８等の他のモジュールからの入力によって始め得る。
【００２４】
指検出スキャンモジュール２０２は、ハードウェアスキャンエンジン２０１を発動して、指又は他のオブジェクトが指紋センサ１３０に存在することを検出する。指検出器２０３は、スキャンエンジン２０１が取得したキャパシタンスデータを処理して、オブジェクトが指紋センサ１３０に存在するかどうかを判定する。
【００２５】
指又は他のオブジェクトが指紋センサ１３０に存在することを検出することに応じて、通常画像スキャンモジュール２０５は、ハードウェアスキャンエンジン２０１を発動して、指紋センサ１３０の通常フルスキャンを実施して、指又は他のオブジェクトの表面パターンの画像を取得する。取得した画像を画像バッファ２０６に記憶する。
【００２６】
スプーフィング検出ロジック２０８は、指紋センサ１３０のオブジェクトが実際の指であるかスプーフィングであるかを判定するために、指紋センサ１３０から取得される画像データと、（力センサモジュール２０７による）力センサ等の他の供給源からのセンサデータとに基づいて、スプーフィング阻止計算を実施する。一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８は、指又は他のオブジェクトが指紋センサ１３０上に存在することを検出する指検出器２０３に応じて動作する。
【００２７】
オブジェクトがセンサ１３０に存在するとの通知を受け取る際に、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトの物理的又は電気的特性のセットの測定を始めることによって、当該オブジェクトが指であるかスプーフィングオブジェクトであるかを判定する。指紋センサの電極から及び力センサ等の他のセンサからの信号に基づいて、オブジェクトの物理的又は電気的特性を測定する。一実施形態では、物理的特性のセットは、オブジェクトの皮下コンプライアンス及び／又はオブジェクトの表面接着性を含む。スプーフィング検出ロジック２０８は、測定した物理的特性のセットに基づいて、オブジェクトを実際の指又はスプーフィングとして区別することで、スプーフィング検出結果を生成する。
【００２８】
一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８は、物理的特性の１つにそれぞれ対応する重み付けされた因子の合計に基づいて、信頼性スコアを計算する。その後スプーフィング検出ロジック２０８は、所定のしきい値を超える信頼性スコアに応じてオブジェクトを実際の指として区別し、又は所定のしきい値を超えない信頼性スコアに応じてオブジェクトをスプーフィングとして区別する。
【００２９】
一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８がオブジェクトを実際の指として区別するときに、指紋画像をホストデバイス１１０に送信する。通信層２０９によって送信される画像バッファ２０６からの指紋画像が準備され、ＳＰＩ１１１を越えてホストデバイス１１０に送信される前に、暗号モジュール２１０によって暗号化された方式に暗号化される。
【００３０】
一実施形態では、オブジェクトをスプーフィングとして検出するときに、スプーフィング検出ロジック２０８は、ホストデバイス１１０にスプーフィングが企てられたことを通知する。代替的構成では、スプーフィング検出ロジック２０８は、表面パターン画像又はオブジェクトの物理的又は電気的特性の他の測定値を、ホストデバイス１１０に送信し、ホストデバイス１１０は、オブジェクトを指又はスプーフィングであると区別するための計算を行うことができる。
【００３１】
上述した機能に加えて、指紋センサコントローラ１２０の実施形態は、このような機能を低電力消費の指検出、不正な指のフィルタリング、ナビゲーション（すなわち指の動きの報告）、接触圧検出、タップジェスチャの認識、部品内蔵製造及び自己診断並びにファームウェアアップグレートとして行うために、付加的な回路モジュール及びロジック（明瞭化のため省略する）も含む。
【００３２】
図３Ａは、一実施形態に従う、隆起したＥＳＤ保護リング３０１に囲まれた指紋センサ３０２を示す。ＥＳＤ保護リング３０１と一緒の指紋センサ３０２を用いて、カバー範囲試験を実施することで、指紋センサ３０２上の指又は他のオブジェクトの皮下コンプライアンスを測定する。この試験のために、指紋センサ３０２は、指又は他のオブジェクトの表面パターンの画像を獲得し、その後画像の５つの小さな部分区域（左上（ＴＬ）、右上（ＴＲ）、左下（ＢＬ）、右下（ＢＲ）及び中央（Ｃ））のそれぞれに対する平均強度値（又は他の計算される強度値）を求める。図３Ｂは、実際の指の指紋パターンの部分区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ、ＢＲ及びＣの位置を示す。実際の指に関して、これらの区域の平均強度値は実質的に類似する。スプーフィングオブジェクトに関して、平均値は互いにより大きく相違し、及び／又は平均値が全体的により小さな大きさとなる。代替的実施形態では、図示した区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ、ＢＲ及びＣ以外のセンサの区域を使用して計算できる。
【００３３】
図３Ａに示すように、隆起したＥＳＤ保護リング３０１は指紋センサを囲み、したがって指紋センサ３０２が配置される凹部を生み出す。一実施形態では、ＥＳＤ保護リング３０１の高さは、センサ３０２の表面から上方に０．２ミリメートルである。ＥＳＤ保護リング３０１の隆起した縁は、スプーフィング等の平坦で硬質のオブジェクトを指紋センサ３０２のセンシング面上に配置することを困難にする。その結果、センサ３０２上に配置される硬質スプーフィングオブジェクトの表面は、センシング表面の全部分に一様に接触しない。特に、スプーフィングオブジェクトの表面は、中央区域Ｃに、角の区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ及びＢＲよりも大きな力が加わって、指紋センサ３０２の表面に接触する。これは、角部に加わる力が部分的に、ＥＳＤ保護リング３０１の隆起した縁に特に加わるためである。
【００３４】
その結果、角の区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ及びＢＲのそれぞれからの平均強度値を、中央区域Ｃからの平均強度値と比較して、指をスプーフィングから区別することができる。一実施形態では、区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ、ＢＲ及びＣのそれぞれのサイズは、１０Ｘ１０画素であり、ここで各画素は、別個の総数を求めることができる、指紋センサのセンサ素子（例えばＲＸ電極とＴＸ電極との交点）を表す。各部分区域に対して、当該部分区域の１００画素の強度値の平均を取ることで、平均強度値を求める。一実施形態では、平均強度値の５つ全てが互いに特定の計数内に存在する場合に、オブジェクトを実際の指として区別する。また、導電率が低いスプーフィング材料を検出するために、画像全体に対する平均強度の絶対値を調べることができる。この方法によって、画像全体にわたる平均強度の絶対値が強度しきい値未満である場合に、オブジェクトをスプーフィングとして拒否することができる。
【００３５】
図４は、指紋センサ１３０上の指４１０及びスプーフィング４２０の断面図を示す。ＥＳＤ保護リング３０１は、指紋センサ１３０の表面上方に隆起した縁を提供する。さらに、指紋センサ１３０は機械式ボタン上に支持される。機械式ボタン４１４は、指紋センサ１３０の上面に加わる下方向の作動力に応じて作動するように構成される。ボタン４１４が作動することで、電気的接続を確立させ、又は指紋センサコントローラ１２０若しくはホストデバイス１１０が検出できる信号を発生させる。
【００３６】
指４１０は軟組織４１２及び骨４１１に支持される外側の硬い皮膚４１３を含み、指４１０は指紋センサ１３０の表面に位置付けられて、硬い皮膚４１３は指紋センサ１３０の表面に適合する。硬い皮膚４１３は、指紋センサ１３０が撮像する、指紋の隆部及び谷等の特徴を含む。軟組織４１２の弾性によって、硬い皮膚４１３を、ＥＳＤ保護リング３０１の隆起した縁付近であっても、センサ１３０の表面に対して適合させる。その結果、センサ１３０が獲得した指紋画像は、部分区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ、ＢＲ及びＣにわたって平均強度が一様であるという特徴を有する。
【００３７】
比較すると、スプーフィング４２０は、指紋センサ１３０の表面に指４１０のように均等に適合しない均一な材料４２１から製造される。特に、スプーフィング４２０は、スプーフィング４２０のＥＳＤ保護リング３０１に近い部分がセンサ１３０の表面に適合するためにより大きな圧力を必要とする。当該均一の材料は指４１０の皮下軟組織４１２より柔らさに欠けるからである。
【００３８】
図５は、指、シリコーン及び青銅粉スプーフィング及びレーザエッチングした導電性ゴムスプーフィングに対するカバー範囲試験の結果を示す。棒グラフ５１１は、指紋センサ１３０から獲得した、画像全体に対するカウントの平均強度値（「平均」）と、指の画像５１０の左上、右上、左下、右下及び中央の区域に対する平均強度値とを示す。同様に、棒グラフ５２１は、シリコーン及び青銅粉スプーフィングの画像５２０の同じ区域に対する平均強度値を示し、棒グラフ５３１は、導電性ゴム及びレーザスプーフィングの画像５３０のこれら区域に対する平均強度値を示す。
【００３９】
実際の指に関するグラフ５１１では、左上、右上、左下、右下及び中央の区域に対する平均強度を表すカウント値は全て互いに２０カウントの範囲内に存在する。さらに、画像５１０に関する平均強度は１００カウントよりも大きい。シリコーン及び青銅粉スプーフィングに関するグラフ５２１でも、試験した部分区域に対する平均強度は互いに２０カウントの範囲内に存在するが、画像５２０全体にわたる平均強度は１０カウント未満である。したがって、画像全体にわたる平均強度に対して５０カウントのしきい値を用いることで、このスプーフィングを拒否することができる。
【００４０】
グラフ５３１では、画像５３０全体にわたる平均強度は５０カウントのしきい値よりも大きいが、区域Ｃに対する平均強度が、他のすべての平均強度値を少なくとも３０カウント超過する。これに対し、実際の指に対する平均強度は、互いに２０カウントの範囲内に存在する。したがって、左上、右上、左下、右下及び中央の区域に対する、いずれか２つの平均強度値間の差に関する２０カウントのしきい値に基づいて、導電性ゴムスプーフィングを検出することができる。
【００４１】
理論的に、指紋センサ１３０の凹部と同じ寸法を有するスプーフィングオブジェクトによれば、センサ１３０の一様なカバレッジを得ることができるが、このことを成し遂げることは実際問題として困難である。凹部よりもわずかに小さなスプーフィングでさえも、画像が期待されるものよりも小さくなり、当該スプーフィングを容易にスプーフィングであると検出することができる。さらに、指紋センサコントローラ１２０の実施形態は、オブジェクトの画像を、オブジェクトをセンサ１３０で検出した時刻から所定の制限時間内に獲得することを確保する、タイマーを実装する。このタイマーは、攻撃者が、センサ１３０の表面が均一にカバーされるまで、スプーフィングオブジェクトを回転又は位置変更させるのに利用できる時間の長さを制限する。
【００４２】
あるスプーフィング材料に対して、スプーフィングの角を、角の区域ＴＬ、ＴＲ、ＢＬ及びＢＲに適合させるのに十分な圧力を加えることは、他の理由でスプーフィングに失敗させる。例えば、薄膜シリコーンスプーフィングは、センサ１３０に対してほんの小さな力が加わるときにだけ適切な画像を提供する。加えられる力がセンサ１３０の角を埋めるときに、スプーフィングの隆線及び谷が圧縮によりくっつき不明瞭になる。したがって、仮にシリコーンスプーフィングがスプーフィング阻止試験に基づく平均強度値を通過したとしても、シリコーンスプーフィングは依然として実際の指紋と一致し損なう。
【００４３】
一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８によって、オブジェクトの皮下コンプライアンスに関するカバー範囲試験の計算を実施する。したがって、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトの表面パターンの画像の２つ以上の部分（例えばＴＬ、ＴＲ、ＢＬ、ＢＲ及びＣ）を比較することで、オブジェクトの皮下コンプライアンスを測定する。一般に、画像の２つ以上の部分を、指紋センサの中央（例えば区域Ｃ）付近の部分区域と、中央部分区域よりもＥＳＤ保護リング３０１の隆起した縁にそれぞれ近い指紋センサの部分区域（例えば区域ＴＲ、ＴＬ、ＢＲ及びＢＬ）とから獲得する。スプーフィング検出ロジック２０８は、画像全体に対する平均強度値がしきい値を超えるかどうかの判定に基づいて、並びに／又は部分区域ＴＲ、ＴＬ、ＢＲ及びＢＬ及びＣのいずれかの平均強度が他のいずれか１つの部分区域の平均強度値から少なくともしきい値だけ異なるかどうかに基づいて、オブジェクトを指又はスプーフィングとして区別する。
【００４４】
一実施形態では、図４に示すような指紋センサ１３０及び機械式ボタン４１４の組立体を用いて、指紋センサ１３０上のオブジェクトの皮下コンプライアンスを測定する。図４では、指紋センサ１３０を機械式ボタン４１４の上に位置付け、指紋センサ１３０に加わる力が機械式ボタン４１４の作動力を超えるときに、機械式ボタン４１４を作動させることができる。したがって機械式ボタン４１４が作動することで、オブジェクトが指紋センサ１３０に加える力を制御された方法で増減させる。スプーフィング検出ロジック２０８は、強い力が加わっている間に獲得される表面パターン画像と、弱い力が加わっている間に獲得される表面パターン画像との間のコントラストの違いを判定して、オブジェクトの皮下コンプライアンス特性を測定する。ボタン４１４が作動していないときに獲得されるオブジェクトの画像は、ボタン４１４の作動力よりも小さな力に関連付けられる。ボタン４１４が作動しているときに獲得されるオブジェクトの画像は、少なくともボタン４１４の作動力以上である強い力に関連付けられる。
【００４５】
加えられる力の様々なレベルに関連付けられるこれらの画像を獲得するために、指紋センサ１３０及び機械式ボタン４１４からの信号が、画像の獲得のきっかけとなる。機械式ボタン４１４の作動前に、センサ２０３のセンシング面に存在するオブジェクトを検出する指検出器２０３に応じて、オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得する。一実施形態では、指紋センサ１３０の特定量が覆われた後に、又はオブジェクトによって最小限のレベルの力がセンサ１３０に加えられた後に、画像の獲得を始める。画像取得の時点ではボタン４１４は作動していないため、オブジェクトによってセンサ１３０に加えられる力がボタン４１４の作動力よりも小さいときに、第１画像を獲得する。
【００４６】
機械式ボタン４１４の作動に応じて、第２画像を獲得する。この画像獲得はボタン４１４の作動中に起こるため、オブジェクトによってセンサ１３０に加えられる力が少なくともボタン４１４の作動力以上であるときに、第２画像が獲得される。スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトの表面パターンの第１画像及び表面パターンの第２画像の比較に基づいて、オブジェクトを指又はスプーフィングのいずれかとして区別する。特に、スプーフィング検出ロジック２０８は、第１画像と第２画像との間の、コントラストの変化又はカバー範囲の変化等の特質を比較する。例えば、より大きな力が加わるときに、特定の材料は画像コントラストの低下を示し、このことは実際の指に対しては観測されない。
【００４７】
オブジェクトの皮下コンプライアンスを測定する他の技術は、ボタンの押下又はクリックの過程にわたって、画像強度のダイナミックレンジを観測することに基づく。ダイナミックレンジとは、固定されたしきい値と、ボタンの押下中又はクリック中に観測された最大コントラスト値との間の差である。
【００４８】
図６は、指、木材用接着剤を含むＰＶＡスプーフィング及びシリコーンのスプーフィングのそれぞれに対して、ボタン押下ジェスチャー過程にわたって記録されたコントラスト値の１００の継続サンプルを示す。グラフ６０１、６０２及び６０３のコントラスト値（カウントで測定する）は、画像全体にわたって計算されたコントラストを表す。この試験に関して、画像のダイナミックレンジは、８０カウントの値を有する固定されたコントラストしきい値６００と、ボタン押下ジェスチャー中に記録された最大コントラストとの差として定められる。
【００４９】
実際の指に関して、ダイナミックレンジは典型的に９０カウント超である。例えば、人差し指のグラフ６０１は、ほぼ１６０カウントのダイナミックレンジを示す。これに対して、スプーフィングオブジェクトは典型的に３０−５０カウントのダイナミックレンジを有する。例えば、ＰＶＡ（木材用接着材）のグラフ６０２は、ほぼ４０カウントのダイナミックレンジを示す。シリコーンスプーフィングのグラフ６０３は、最大コントラスト値がしきい値６００を超えないことを示す。したがって、スプーフィングオブジェクト２０８は、それらそれぞれのダイナミックレンジが実際の指に対して期待される範囲内に入らないために、ＰＶＡ及びシリコーン材料をスプーフィングとして見極めることができる。
【００５０】
また、シリコーン等の特定のスプーフィング材料は、ボタン押下の過程にわたって、画像コントラストのネガティブピークを示す。図６に示すように、シリコーンスプーフィングのグラフ６０３の中央部分は、コントラスが減少した後にコントラストが増加することを示す。したがって、スプーフィング検出ロジック２０８の一実施形態は、ネガティブピークを検出してこの根拠に基づいてスプーフィングを拒否する。
【００５１】
代替的実施形態では、ボタンの押下又はクリックジェスチャーを、オブジェクトがセンサ１３０に加える力をサンプリング周期にわたって増減する様々な手段、又は加わる力をオブジェクトのある部分から他の部分に変える様々な手段で実装できる。例えば、ダブルクリック、回転又はボタン４１４の操作に関する他のジェスチャーにわたるダイナミックレンジを測定できる。
【００５２】
オブジェクトが指であるかスプーフィングであるかを判定するために測定できる、オブジェクトの他の特性は、オブジェクトの表面接着性である。実際の指に関して、指の皮膚表面がセンサ１３０の表面に対して付着するために、指が指紋センサ１３０の表面に対して加えられる力が強い押圧（例えばほぼ１キログラム）の後に減少するときに、画像コントラストは減少しない。スプーフィングの材料に関して、画像コントラストを様々な手段で加えられた力の変化に応じて変えることができる。可撓性スプーフィング材料（例えばゴム）に関して、画像コントラスト及び加えられる力の両方は同様に変わる。硬質スプーフィング材料（例えば銅ベースのスプーフィング）に関して、様々な力レベルに対して画像コントラストは変化しない。一実施形態では、オブジェクトが指紋センサ表面に加える力を記録する力センサを用いて、指とスプーフィング材料との間の表面付着特性の違いを識別する。その後これらの力の値を、獲得されるオブジェクトの画像から計算されるコントラスト値に相関させる。
【００５３】
図７Ａは、一実施形態に従い、指紋センサコントローラ１２０に接続される力センサ７０１を示す。力センサ７０１は、力センサスキャンモジュール２０７によって動作する。力センサスキャンモジュール２０７は、更にスプーフィング検出ロジック２０８に接続されて、力の測定値を、スプーフィングを検出するのに使用する、スプーフィング検出ロジック２０８に提供する。力センサ７０１は、キャパシタンス７０３と、加えられる力に応じて変化する可変抵抗７０２とを含む。可変抵抗７０２は、指紋センサコントローラ１２０の汎用入出力（ＧＰＩＯ）のピン７０４に接続される。力センサスキャンモジュール２０７は、ＨスイッチをＶＤＤに、及びＬスイッチをグラウンド（ＧＮＤ）に、それぞれ選択的に接続することによる、信号を用いてＧＰＩＯピン７０４を駆動する。
【００５４】
図７Ｂは、一実施形態に従い、スイッチＨ及びＬの動作から生じる、ＧＰＩＯピン７０４における電圧（上のグラフ）及びコンデンサ７０３にわたる電圧（下のグラフ）を示す。力センサスキャンモジュール２０７は、スイッチＨを閉じてＧＰＩＯピン７０４をＶＤＤに接続することによって、コンデンサ７０３を変化させる。その後、力センサスキャンモジュール２０７がスイッチＬを動作させて、ＧＰＩＯピン７０４を高インピーダンス（Ｚ）状態とグラウンドとのどちらか一方に切り替えるときに、キャパシタ７０３は期間Ｎ１にわたって放電する。高インピーダンス期間中に、ＧＰＩＯピン７０４における電圧がしきい値７５１を下回るときに、力センサスキャンモジュール２０７は、コンデンサ７０３をグラウンドに放電させ、その後、期間Ｎ２にわたり、ＧＰＩＯピン７０４を高インピーダンス状態及びＶＤＤのどちらか一方に切り替えることで、コンデンサ７０３を再充電する。高インピーダンス期間中、ＧＰＩＯの電圧がしきい値７５１を超えるときに、経過期間Ｎ１及びＮ２に対するスイッチングサイクルの総数を力出力として記録する。コンデンサ７０３の充電及び放電の割合は、可変抵抗７０２の値によるため、期間Ｎ１及びＮ２に対するスイッチングサイクルの総数（すなわち力出力）は、可変抵抗７０２に加わる力に対応する。代替的実施形態では、抵抗７０２を一定に保つ一方で、コンデンサ７０３が加えられる力に関して変化する。
【００５５】
図８Ａは、一実施形態に従う、指紋センサ８１２と、指の圧力８１１による力を測定する力センサ８１５とを含むセンサモジュール８１０の断面図を示す。指紋センサ８１２は補強材８１４及び可撓性材料８１３によって支持される。力センサ８１５は、補強材８１４とセンサモジュール８１０の底面との間に配置される別個の構成要素である。力センサ８１５の代わりに、圧電性、誘導性及び光学性等の様々な種類の力センサを使用できる。
【００５６】
図８Ｂは、指紋センサ８２２と、可撓性材料８２３から形成される容量性力センサと、弾性材８２４と、補強材８２５とを含むセンサモジュール８２０の断面図を示す。弾性材８２４は、０．１ミリメートルからの０．３ミリメートルまでの厚さを有し、可変コンデンサの２つのプレートとしての機能を果たす、可撓性材導電料層８２３と補強材層８２５とを分離する。指の圧力８２１は、可撓性材料８２３と補強材８２５との間の距離を減少させる。したがって、キャパシタンスは加えられる力に応じて増加する。
【００５７】
指紋センサコントローラ１２０に接続されるセンサモジュール８１０を利用する一実施形態では、加えられる力と画像コントラストとの間の相関関係を定めるために、指紋センサコントローラ１２０は力センサ８１５を連続的に走査する。オブジェクトが指紋センサ８１２に接触するときに、画像走査モジュール２０５は、指紋センサ８１２の小さな部分区域の高速走査を実施して、オブジェクトに関するベースライン画像コントラストを迅速に定める。ベースラインコントラスト値を用いて、異なる指の間のコントラスト変動を補償する。したがって、加えられる力の変化に起因するコントラストの変化を、指に対するベースラインに関連付けて求める。
【００５８】
オブジェクトが指紋センサに加える力の変化に起因する、オブジェクトに関する画像コントラストの変化を測定するために、指紋センサコントローラ１２０は、２つの力測定値の最小値及び２つの対応する画像コントラスト測定値を取得する。したがって、コントローラ１２０は、オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得している間、オブジェクトが指紋センサに加える第１の力を測定する。第１の力を計測した後、コントローラ１２０は、オブジェクトの表面パターンの第２画像を獲得している間、オブジェクトが指紋センサに加える第２の力を測定する。
【００５９】
オブジェクトの表面接着特性を検出するために、指紋センサコントローラ１２０は、第２の力が第１の力の後に発生するとともに、第２の力が第１の力よりも小さくなるように、第１の力及び第２の力を測定する。言い換えれば、オブジェクトが試験中に加える力は、第１の力の測定から第２の力の測定まで減少する。対応する画像コントラスト値は、ベースラインコントラストによって補償され、その後対応する画像コントラスト値を比較して、オブジェクトが指紋センサの表面に付着しているかを判定する。したがって、第１画像と第２画像との間のコントラストの違いに基づいて、オブジェクトは、指であるか又はスプーフィングオブジェクトであるか区別される。
【００６０】
一実施形態では、指紋センサコントローラ１２０は、加えられる力とオブジェクトに関する画像コントラストの間の関係をより完全に特徴付けるために、２より多い数の力及び画像コンテストの測定値の組を取得する。
【００６１】
図９は、人差し指の指先９０１、親指の指先９０２、人差し指の指腹９０３及び親指の指腹９０４に対して直接測定される力と画像コントラストとの間の関係を表す４つのグラフを含む。これらのグラフに関して、画像コントラストを曲線９１１，９１２，９１３及び９１４で示す一方、対応する力の直接測定値を曲線９２１，９２２，９２３及び９２４で示す。図９に示すように、これらの指に関する画像コントラストは、指が強く押圧（例えば約１ｋｇ）した後に、指が指紋センサ１３０の表面に対して加える力が減少することに応じて減少しない。この振る舞いは、指の皮膚表面が指紋センサ１３０の表面に対して付着することによるものである。
【００６２】
図１０は、ＰＶＡ（木材用接着材）スプーフィング１００１、導電性ゴムスプーフィング１００２、シリコーンスプーフィング１００３、薄いＰＶＡスプーフィング１００４、ＰＣＢスプーフィング１００５及びＦＰＣスプーフィング１００６に対して、直接測定される力と画像コントラストとの間の関係を表す６つのグラフを含む。これらのグラフに関して、画像コントラストを曲線１０１１，１０１２，１０１３，１０１４，１０１５及び１０１６で示す一方、対応する力の直接測定値を曲線１０２１，１０２２，１０２３，１０２４，１０２５及び１０２６で示す。図１０に示すように、これらのスプーフィングに関し、力の直接測定値に対して、画像コントラスト値は様々な様子で変わる。
【００６３】
ＰＶＡスプーフィングに関するグラフ１００１は、この種類のスプーフィング材料に関して、加えられる力が増加することによって画像コントラストが減少することを表す。この特性によって、仮に対応する力測定値が取得されない場合でも、画像コントラストの負のピーク特性に基づいて、ＰＶＡスプーフィングを拒否できる。
【００６４】
ゴムスプーフィング材料に関するグラフ１００２は、力測定値曲線１０２２に密接して対応する画像コントラスト曲線１０１２を表す。したがって、加えられる力が強く押圧した後に減少した後に、画像コントラストが高いままではないため、ゴムスプーフィングを実際の指から区別することができる。
【００６５】
薄い（約０．１ミリメートルの）ＰＶＡスプーフィングに関するグラフ１００４は、表面付着特性が実際の指により類似することを示す。ある実施形態では、本明細書で開示する他のスプーフィング検出技術の１つ以上を、薄いＰＶＡスプーフィングオブジェクトを検出する表面付着試験と併せて使用できる。
【００６６】
代替的実施形態では、隆線と谷地の間の強度変化、画像にわたる最大値若しくは最小値、又は獲得した画像に由来する他の値等の画像コントラスト以外の値を、加えられる力と相関させることができる。
【００６７】
一実施形態では、指紋センサコントローラ１２０は、指紋センサ１３０のＴＸ電極及びＲＸリスナー電極の２つのグループ間で様々な信号を結びつける称される指の能力を測定することによって、インピーダンスに基づくスプーフィング検出技術を実施する。ＲＸリスナー電極に生み出される信号に関して測定される複素伝導率の振幅及び振幅の比率を分析しその後使用して、媒体伝導率を有する、金属粉と混合したシリコーン、グラファイトフィルムで覆われたスプーフィング、導電性ゴムスプーフィング等のスプーフィング材料を検出する。
【００６８】
図１１は、インピーダンスに基づいてスプーフィングを検出するために配置される電極を含む指紋センサ１１００を示す。指紋センサ１１００の電極のセットは、ＲＸリスナー電極１１０１と、ＴＸ電極第１セット１１１０と、ＴＸ電極第２セット１１２０とを含む。ＴＸ電極第１セット１１１０の電極は低抵抗導電路によって互いに電気的に接続され、ＴＸ電極第２セット１１２０の電極は同様に互いに接続される。電極セット１１１０及び１１２０はそれぞれ、異なる信号伝搬路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される。電極のセット１１１０は、インピーダンスＺｐを有するより短い信号伝搬路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される。電極のセット１１２０は、Ｚｐとは異なるインピーダンスＺｎを有するより長い信号伝搬路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される。信号伝搬路の違いによって、回路は、試験中のオブジェクト電気的特性に関してより多くの情報を取得できる。
【００６９】
したがって、セット１１２０の電極は互いに隣接し、指紋センサ１１００のＲＸリスナー電極１１０１から反対側に配置される。セット１１１０の電極は互いに隣接し、指紋センサ１１１０においてＲＸリスナー電極１１０１と同じ側に配置される。電極セット１１１０の電極の数は、電極セット１１２０の電極の数と等しく、両セット１１１０及び１１２０の電極は互いに交わらない。図１１に示すように、それぞれのセットは４つの電極を含む。セット１１１０にもセット１１２０にも含まれない電極は、グランドノード１１０２を経て接地される。
【００７０】
一実施形態では、ハードウェアスキャンエンジン２０１は、ＴＸ電極セット１１１０を同相ＴＸ信号（ＴＸ−Ｐ）で駆動する一方、ＴＸ電極セット１１２０をＴＸ信号の逆位相バージョン（ＴＸ−Ｎ）で駆動する。逆位相信号ＴＸ−Ｐは、同相ＴＸ−Ｎ信号に対して１８０°だけ位相変化する。従って、オブジェクトが指紋センサ１１００の表面に存在する間、指紋センサ１１００の電極セット１１１０及び１１２０が駆動される。オブジェクトはＴＸ−Ｐ及びＴＸ−Ｎ信号をＲＸリスナー電極１１０１に結合し、結果として生じるＲＸ信号はオブジェクトの電気的特性によって変化する。
【００７１】
代替的実施形態では、逆位相で駆動される２つのＴＸ電極グループ１１１０及び１１２０を、代わりに単一のＴＸグループに置換することができる。このような実施形態は、チャンネル飽和を妨げるハードウェアベースライン補償回路を追加的に含む。
【００７２】
一実施形態では、ハードウェアスキャンエンジン２０１は、同相ＴＸ−Ｐ信号及び逆位相ＴＸ−Ｎ信号を、それぞれの電極グループに多数の異なる周波数で印加する。従って、試験中のオブジェクトが指紋センサ１１００上に存在する間、スキャンエンジン２０１は、第１周波数Ｆ０の同相ＴＸ−Ｐ信号をＴＸ電極セット１１１０に印加する一方で周波数Ｆ０の逆位相ＴＸ−Ｎ信号をＴＸ電極セット１１２０に印加することによって、ＲＸリスナー電極１１０１で第１ＲＸ信号を生成する。その後スキャンエンジン２０１は、第２周波数Ｆ１の同相ＴＸ−Ｐ信号をＴＸ電極セット１１１０に印加する一方で周波数Ｆ１の逆位相ＴＸ−Ｎ信号をＴＸ電極セット１１２０に印加することによって、ＲＸリスナー電極１１０１で第２ＲＸ信号を生成する。
【００７３】
一実施形態では、周波数掃引が２つのコーナ周波数Ｆ０及びＦ１のみを含む、単一のアプローチを用いる。一実施形態では、Ｆ０は１．５ＭＨｚに等しく、Ｆ１は９ＭＨｚに等しい。他の実施形態では、スキャンエンジン２０１は、それぞれの周波数に対して結果として生じる結合振幅及び位相を測定し処理しながら、２つよりも多くの周波数に関して上述したプロセスを繰り返して、ＴＸ周波数の掃引を行う。
【００７４】
図１２は、スプーフィングを検出するために、オブジェクト１２０１の複素伝導率を測定するための直交復調器１２０３を有するインピーダンスセンシング回路１２００を示す。インピーダンスセンシング回路１２００は、ＴＸ電極セット１１１０及び１１２０とＲＸリスナー電極１１０１とを含む。前述したように、電極セット１１１０及び１１２０を駆動するためにそれぞれ使用されるＴＸ−Ｐ信号及びＴＸ−Ｎ信号は、オブジェクト１２０１を通じてＲＸリスナー電極１１０１に結合される。結果として生じるＲＸ信号は、増幅器１２０２によって増幅され、直交復調器１２０３へ渡る。直交復調器１２０３から結果として生じるＩ成分及びＱ成分はそれぞれ、アナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣｓ）１２０４及び１２０５によって変換される。したがって、直交センシングチャンネル１２０３は、振幅だけではなく位相情報も提供する。オブジェクト１２０１がスプーフィングであるかどうかを検出するために、スプーフィング検出ロジック２０８は、測定される位相が、実際の指に関する既定の典型的な位相範囲内に存在するかどうかを判定できる。代替的実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８は、直交復調器１２０３からの個々のＩ成分及びＱ成分に対して他の分析を行う。
【００７５】
一実施形態では、インピーダンスセンシング回路１２００は、ＡＤＣオフセット及び寄生オープンエア結合（parasitic open air coupling）を補償するためにベースライン較正法にかけられる。ベースライン較正プロセスによって、オープンエア状態の間（すなわち指紋センサ１１０１にオブジェクトが存在しないとき）、Ｉ成分及びＱ成分を繰り返し獲得する。その後、獲得したＩ成分及びＱ成分の平均値を、スプーフィング阻止スキャンの結果の（Ｉ，Ｑ）から減じる。
【００７６】
一実施形態では、インピーダンスセンシング回路１２００は、単一の周波数Ｆ０のみを用いてオブジェクト１２０１を試験する。この場合には、スプーフィング検出ロジック２０８は、結果として生じる振幅及び位相が、実際の指に関する既定の典型的な範囲内に存在するかどうか判定する。スプーフィング検出ロジック２０８は、測定される振幅及び／又は位相が期待される範囲の外側に存在する場合に、オブジェクト１２０１をスプーフィングとして区別する。
【００７７】
インピーダンスセンシング回路１２００がオブジェクト１２０１を多数の周波数を用いて試験する一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８は、それぞれの周波数に関し、当該周波数に対して生成されるＩ成分及びＱ成分に基づいて複素伝導率の振幅を計算することによって、オブジェクト１２０１がスプーフィング又は実際の指であると区別し、その後、いずれかの周波数に関する振幅が実際の指に関して期待される範囲の外側に存在するかどうかを判定する。スプーフィング検出ロジック２０８は、計算した振幅を用いて１つ以上の振幅比を追加的に計算して、いずれかの振幅比が実際の指に関して期待される範囲の外側に存在するかどうかを判定する。
【００７８】
低導電率を有するスプーフィング材料は、オブジェクトによる小さいＴＸ−ＲＸ結合によって、振幅が実際の指に関して期待される範囲の外側に存在する結果として拒否される。高導電性スプーフィング材料は、オブジェクトによる結合を通じて同相ＴＸ−Ｐ信号が逆位相ＴＸ−Ｎ信号によって補償されるため、結果として生じるＴＸ−ＲＸ結合の小さな振幅に基づいて拒否される。結果として生じる小さな振幅は、実際の指に関して期待される範囲を下回る。中間の導電率を有する大部分のスプーフィング材料を、様々な周波数の導電率振幅を測定し並びに振幅及び振幅比を分析して、これらの値が実際の指に関して期待される範囲内に存在するかどうかを判定することに基づいて拒否することができる。
【００７９】
図１３は、スプーフィングを検出するため、オブジェクト１２０１の複素伝導率を測定するためにＡＤＣ１３０４に結合される同期検出器１３０３を有するインピーダンスセンシング回路１３００を示す。それぞれの動作周波数に対して、基準信号の位相遅れを掃引して最大振幅を見つけ出す。その後スプーフィング検出ロジック２０８は、結果として生じる振幅が、実際の指に関して期待される範囲内に存在するかどうかを判定することで、オブジェクト１２０１をスプーフィング又は指であると区別する。
【００８０】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、指紋センサにおいてスプーフィングオブジェクトを検出するためのプロセス１４００を示す流れ図である。指紋センシングシステム１００の指紋センサ１３０、指紋センサコントローラ１２０及びホストデバイス１１０等の構成要素又は類似する構成要素は、プロセス１４００における動作を実施する。
【００８１】
プロセス１４００は、ブロック１４０１において開始する。ブロック１４０１では、指紋センシングシステム１００は指紋センサ１３０とシステム１００に接続される力センサ等の他のセンサとを較正する。例えば、システムは、センサ１３０上にオブジェクトが存在しない状態で、オープンエア状態中の測定値を記録することによって、指紋センサ１３０に対してベースライン較正を行う。
【００８２】
ブロック１４０３では、指紋センサコントローラ１２０の指検出スキャンモジュール２０２及び指検出器モジュール２０３は、指紋センサ１３０においてオブジェクトの存在を検出する。指検出スキャンモジュール２０２はセンサ１３０からのキャパシタンス測定値を周期的に収集し、指検出器２３０はデータを分析してオブジェクトがセンサ１３０に存在するかどうかを判定する。
【００８３】
ブロック１４０３では、センサ１３０におけるオブジェクトの存在を検出することに応じて、指紋センサコントローラ１２０は、指紋センサ１０３の電極のセットからの信号に基づいて、オブジェクトの物理的及び／又は電気的特性のセットを測定する。これらの特定は、オブジェクトの皮下コンプライアンス、表面付着性及び導電特性を含む。
【００８４】
ブロック１４１１−１４１７において、指紋センシングシステム１００は、オブジェクトの皮下コンプライアンスを測定するためのプロセスを実施する。指の皮下コンプライアンスは、皮膚の下の軟組織の弾性である。スプーフィングオブジェクトに関して、皮下コンプライアンス試験では、なりすましの指紋パターンを担持するスプーフィングの表面層を支持する材料の弾性を測定する。
【００８５】
ブロック１４１１において、システム１００は、指紋センサ１３０の電極のセットを用いて、オブジェクトの表面パターンの第１画像を獲得する。一実施形態では、指紋センサ上にオブジェクトの存在を検出した後、事前設定された制限時間内に第１画像を獲得する。このことは、悪意のユーザが、センサ１３０上でスプーフィングオブジェクトを位置変更することによってスプーフィング検出を破ろうと試みる時間の量を制限する。
【００８６】
ブロック１４１３では、スプーフィング検出ロジック２０８は、獲得した画像の多数位置に対する平均強度値を計算する。特に、スプーフィング検出ロジック２０８は、図３Ａ及び３Ｂに示す左上、右上、左下、右下及び中央の部分区域のそれぞれに対する平均強度値を、同じ部分区域の画素に対する強度値を平均することによって計算する。代替的実施形態では、平均強度の代わりに又は平均強度とともに、中央強度値等の様々な計算される強度値を用いる。
【００８７】
ブロック１４１５では、スプーフィング検出ロジック２０８は、獲得した画像の２つ以上の部分を比較する。特に、スプーフィング検出ロジック２０８は、左上、右上、左下、右下及び中央の部分区域を、これらの部分区域に対して計算された平均強度値を比較することによって比較する。その後スプーフィング検出ロジック２０８は、２つ以上の位置のいずれかの平均強度値が、２つ以上の位置の他の任意の位置の平均強度値から少なくともしきい値だけ異なるかどうかの判定に基づいて、オブジェクトの皮下コンプライアンスに関する評価因子を計算する。図５を参照して、例えば、評価因子は、中央の部分区域に対する平均強度値が、他の左上、右上、左下及び右下の部分区域のいずれかの平均強度値から、２０カウントのしきい値よりも大きく異なるかどうかの判定に基づく。評価因子は、画像全体に対する平均強度が、左上、右上、左下、右下及び中央の部分区域のいずれかに対する任意の平均強度値から、しきい値よりも大きく異なっているかどうかにも基づく。ブロック１４１７において、スプーフィング検出ロジック２０８は、ブロック１４１５で実施する比較及び計算に基づいて、オブジェクトをスプーフィングとして区別するために使用できる評価因子を計算する。
【００８８】
単一の評価因子を、オブジェクトが試験を通過したか試験に失敗したかを示すブール変数として記録することができる。例えば、ＴＲＵＥ値は、指紋センサ１３０のオブジェクトの皮下コンプライアンス特性が実際の指に関して期待される範囲内に存在することを示す。代替的実施形態では、評価因子は、測定される皮下コンプライアンス等の特性が、実際の指にどれだけよく一致するかを示す整数値又は浮動小数点値として表される。
【００８９】
ブロック１４２１−１４２９において、指紋センシングシステム１００は、ボタンの押下又はクリックジェスチャーを用いて、指紋センサ１３０のオブジェクトの皮下コンプライアンスを測定する。このプロセスによって、システム１００は、オブジェクトの画像表面に関するコントラスト値を、画像を獲得するときにオブジェクトがセンサ１３０に加える力に相関させることができる。
【００９０】
ブロック１４２１において、指紋センサ１３０を機械式ボタン上で支持する。一実施形態では、図４に示すような機械式ボタン４１４が指紋センサ１３０を支持する。
【００９１】
ブロック１４２３において、ボタン４１４に、ボタン４１４の作動力を超える力が加わっていない場合、ボタン４１４は指紋センサを不作動（例えば隆起）状態で支持し続ける。ボタン４１４の作動力を超える力がボタン４１４に加えられる場合、ブロック１４２５で提供されるように、ボタン４１４が作動する。ボタン４１４が作動することにより、ボタン４１４が押し下げられるとともに、電気的接触が生じ又は指紋センサコントローラ１２０が検出できる信号が発生することになる。ボタン４１４が作動している間、コントローラ１２０は当該作動を検出し、オブジェクトの表面パターンの第２画像を獲得する。
【００９２】
ブロック１４２７において、スプーフィング検出ロジック２０８は、第１画像を第２画像と比較して、画像間のコントラストの変化を定める。第１画像（ブロック１４１１で獲得される）はボタン４１４の作動前に獲得されるため、第１画像に関連して加えられる力はボタン４１４の作動力よりも小さい。第２画像はボタン４１４が作動している間に獲得され、従って第２画像が関連して加えられる力は、少なくともボタン４１４の作動力以上である。スプーフィング検出ロジック２０８は、第１画像及び第２画像を比較して、加えられる力の変化に起因する画像コントラストの変化量を決める。
【００９３】
ブロック１４２９において、スプーフィング検出ロジック２０８は、ブロック１４２７で実施される比較に基づいて、オブジェクトの皮下コンプライアンス特性に関する第２評価因子を計算する。一実施形態では、評価因子は、オブジェクトに対する皮下コンプライアンス特性が実際の指の皮下コンプライアンス特性と十分に一致するかどうかを示すブール変数である。あるいは、評価因子を、測定される皮下コンプライアンスが実際の指に関して期待される値とどの程度よく一致するかを示す、整数値、浮動小数点値又は他の値とすることができる。
【００９４】
ブロック１４３１−１４３５において、指紋センシングシステム１００は、指紋センサ１３０においてオブジェクトの表面付着性を測定する。力センサを用いて表面付着性を測定し、オブジェクトが指紋センサ１３０に加える力の減少を検出して、加えられる力の減少に起因する画像コントラストの変化がもしあれば当該変化を求める。指に関しては、皮膚表面が指紋センサに付着することによって加えられる力が減少した後に画像コントラストは減少しないが、多数のスプーフィング材料は、この挙動を示さない。
【００９５】
ブロック１４３１において、オブジェクトが指紋センサから離れる前に、指紋センサコントローラ１２０の力センサスキャンモジュール２０７は、表面パターンの画像を獲得している間オブジェクトが加える力を測定する。一実施形態では、オブジェクトが指紋センサ１３０から離れるまで、加えられる力及び画像コントラストの測定を連続的にかつ繰り返し実施する。
【００９６】
ブロック１４３３において、指紋センサコントローラ１２０は、オブジェクトが指紋センサ１３０から上昇したかどうかを検出する。一実施形態では、指紋センサ１３０からの容量の測定値と力センサからの測定値との一方又は両方に基づいて、オブジェクトがセンサ１３０から離れたと判定する。オブジェクトがセンサ１３０から上昇していない場合、ブロック１４３１において力及び画像コントラストの測定を継続する。オブジェクトがセンサ１３０から上昇した場合、プロセスはブロック１４３５に続く。
【００９７】
ブロック１４３５において、スプーフィング検出ロジック２０８は、ブロック１４３１で獲得する少なくとも２つの画像間の画像コントラストの変化に基づいて、指紋センサ１３０におけるオブジェクトの表面付着性に関する評価因子を計算する。一実施形態では、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトを指紋センサに対して強く押圧した後に加えられる力の減少を示す、力及び画像コントラストのサンプルを特定する。したがって、スプーフィング検出ロジック２０８は、大きな第１の力測定値と、第１の力を測定した後に続いて測定されて第１の力よりも小さな第２の力測定値とを特定し、その後第１の力測定値及び第２の力測定値にそれぞれ対応する画像コントラスト値を比較する。
【００９８】
一実施形態では、表面付着特性に関する評価因子を、コントラストの変化が実際の指に関して期待される範囲内に存在するかどうかを示すブール変数として記憶する。あるいは、評価因子を、画像コントラストの変化が、実際の指に関して期待されるコントラストの変化にどれだけよく一致するかを示す整数値又は浮動小数点値とすることができる。
【００９９】
スプーフィング検出プロセス１４００を示す流れ図は、図４Ｂに続く。図４Ｂにおいて、ブロック１４４１−１４５１は、指紋センサ１３０においてオブジェクトの複素伝導率を測定するためのプロセスを表す。指紋センサ１１００を含むインピーダンスセンシング回路１２００を用いて伝導率測定プロセスを実施する。
【０１００】
ブロック１４４１において、指紋センサコントローラ１２０は、ＴＸ電極の第１サブセットを互いに接続し、ＴＸ電極の第２サブセットを互いに接続する。図１１の指紋センサ１１００を参照して、電極の接続されているセットは、電極セット１１１０及び１１２０である。通常画像スキャンの間、これらセット１１１０及び１１２０のＴＸ電極のそれぞれは、独立して駆動される。したがって、通常スキャンモードから伝導性測定モードへの切り替えは、電極を接続してこれらのセット１１１０及び１１２０を形成することを必要とする。一実施形態では、当該接続を、スイッチの１つ以上のセットを動作させることによって行う。
【０１０１】
ブロック１４４３において、ＴＸ電極１１１０及び１１２０のセットは、異なる信号経路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される。電極セット１１１０は、インピーダンスＺｐを有する信号伝搬路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される一方、電極セット１１２０は、異なるインピーダンスＺｎを有するより長い信号伝搬路を経て、ＲＸリスナー電極１１０１に接続される。
【０１０２】
ブロック１４４５において、インピーダンスセンシング回路１２００の周波数掃引は、同相ＴＸ−Ｐ信号及び逆位相ＴＸ−Ｎ信号をそれぞれ、周波数掃引範囲の次の周波数で、ＴＸ電極セット１１１０及び１１２０に印加することによって開始する。一実施形態では、周波数掃引の開始時の初期周波数Ｆ０は１．５ＭＨｚの値を有する。
【０１０３】
ブロック１４４７において、ＲＸリスナー電極１１０１でＴＸ−Ｐ信号及びＴＸ−Ｎ信号を印加することにより生成されるＲＸ信号は、増幅器１２０２によって増幅され、インピーダンスセンシング回路１２００の直交復調器１２０３に渡る。直交復調器１２０３は、増幅されたバージョンのＲＸ信号を復調してＩ成分及びＱ成分を生成し、Ｉ成分及びＱ成分はそれぞれＡＤＣ１２０４及び１２０５によってディジタル値に変換される。Ｉ及びＱに関する値を用いて、周波数Ｆ０に対する振幅値及び位相値を計算する。
【０１０４】
ブロック１４４９において、周波数掃引が完了していない場合には、プロセス１４００は、掃引の次の周波数に対する、第２ＴＸ−Ｐ信号及び第２ＴＸ−Ｎ信号に関してブロック１４４５の動作を実施するために戻る。この新たな周波数に対し、Ｉ及びＱ成分を同様に取得して、振幅値及び位相値を計算する。一実施形態では、第２周波数Ｆ１は９ＭＨｚの値を有する。したがって、周波数掃引に含まれる２つ以上の周波数のそれぞれに対して、ブロック１４４５，１４４７及び１４４９を繰り返して、Ｉ値及びＱ値を取得する。周波数掃引が完了しているときに、プロセス１４００はブロック１４５１に続く。
【０１０５】
ブロック１４５１において、スプーフィング検出ロジック２０８は、測定される振幅のいずれかが実際の指に関する振幅に期待される範囲の外側に存在するかどうかの判定に基づいて、測定される複素伝導率に関する評価因子を計算する。評価因子は、測定される振幅の２つの間の比率が実際の指の振幅比に関して期待される範囲の外側に存在するかどうかにも基づく。振幅又は振幅比のいずれかが期待される範囲の外側に存在する場合に、スプーフィング検出ロジック２０８は、伝導率試験に基づき、オブジェクトがスプーフィングであることを示すように評価因子を設定する。振幅及び振幅比のすべてが期待される範囲内に存在する場合に、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトが実際の指であることを示すように評価因子を設定する。他の評価因子と同様に、複素伝導率測定値に関する評価因子を、オブジェクトがスプーフィング検出試験に合格したか失敗したかを示すブール変数として記録することができ、又は試験される特性に基づく、オブジェクトの実際の指に対する類似度を示す整数値、浮動小数点値若しくは他の値として記録することができる。
【０１０６】
ブロック１４６１−１４７３では、指紋センサセンシングシステム１００は、指紋センサ１３０上のオブジェクトがスプーフィングであるか実際の指であるかを、前に測定した物理的特性及び電気的特性に基づいて判定する、最終判定を行う。このプロセスによれば、測定される特性に基づいてオブジェクトを実際の指として区別する場合、オブジェクトの表面パターンに関する画像データをホストに送信する。
【０１０７】
ブロック１４６１において、スプーフィング検出ロジック２０８は、物理的特性及び電気的特性のセットの１つにそれぞれ対応する重み付けされ総計される評価因子に基づいて、信頼性スコアを計算する。特に、関連付けされる重みを有するそれぞれの評価因子を乗算することで、信頼性スコアを計算し、結果として生じる積をその後加算する。一実施形態では、重み付けされる値を選択して、システムが特定の種類のスプーフィング材料をより正確に検出でき、又はシステムが特定ユーザの指の特性を通過させるように較正することができる。
【０１０８】
ブロック１４６３において、スプーフィング検出ロジック２０８は、信頼性スコアが所定のしきい値を超えているかどうかを判定する。信頼性スコアがしきい値を超えていない場合、ブロック１４６５においてオブジェクトがスプーフィングであるとして拒否する。一実施形態では、スプーフィングの企てをホストデバイス１１０に報告する。
【０１０９】
ブロック１４６３において、信頼性スコアが所定のしきい値を超えている場合、指紋センサ１３０のオブジェクトを実際の指として区別する。それに応じて、ブロック１４６７によって、指紋センサコントローラ１２０は、オブジェクトの表面パターンの画像を暗号化し、ＳＰＩ１１１を経由してホストデバイス１１０に送信して、ユーザをホストデバイス１１０上で認証するためのプロセスを開始する。
【０１１０】
ブロック１４６９において、ホストデバイス１１０は表面パターンデータを受信し復号して、表面パターンがデータベース内のユーザの指紋データと一致するか試みる。オブジェクトの表面パターンがいずれのユーザに対する指紋データとも一致しない場合、ブロック１４７１において指紋を拒否し、ユーザを認証しない。ホストデバイス１１０が表面パターンをユーザに対する指紋データに首尾良く一致させる場合、ブロック１４７３においてユーザがホスト上で認証される。好結果のユーザ認証に応じて、ホストデバイス１１０はホスト１１０のリソースに対するアクセスを許可し、例えばホストデバイス１１０はユーザインタフェースに対するアクセス又はファイルシステムに対するアクセスをユーザに許可することができる。
【０１１１】
図１５は、図１２に示す回路１２００等のインピーダンスセンシング回路のベースライン較正を実施するためのプロセス１５００を示す流れ図である。一実施形態では、プロセス１４００のブロック１４０１のセンサ較正の間、ベースライン較正プロセス１５００を実施する。
【０１１２】
較正プロセス１５００は、ブロック１４４５−１４５１に関する説明と同様に、ＴＸ−Ｐ信号及びＴＸ−Ｎ信号をそれぞれ電極セット１１１０及び１１２０に印加することによって、インピーダンスセンシング回路１２００に対するベースラインを確立する。ブロック１５０１において、結果として生じるＩ成分値及びＱ成分値のＮ個のサンプルを獲得する。ここで、Ｎは設定可能な整数値である。
【０１１３】
ブロック１５０３において、Ｎ個のサンプルの全てのＩ値及びＱ値を平均化し、フラッシュメモリに記憶する。ブロック１５０５において、ブロック１５０１に関して実施するプロセスと同様のプロセスを、ＴＸ−Ｐ信号及びＴＸ−Ｎ信号に対して異なる周波数Ｆ１で実施する。ブロック１５０７において、ブロック１０３と同様に、周波数Ｆ１でのＮ個のサンプルに対するＩ値及びＱ値を平均化し、フラッシュメモリに記憶する。記憶されるＩ値及びＱ値をリコールし使用して、オブジェクトが指紋センサ１１００に存在するときに測定されるＩ値及びＱ値、例えばプロセス１４００のブロック１４４７で生成されるＩ値及びＱ値を補償する。
【０１１４】
図１６は、力センサを用いて加えられる力を測定するためのプロセス１６００を示す。一実施形態では、力センサ測定プロセス１６００は、プロセス１４００のブロック１４３１に従って実施される動作に対応する。一実施形態では、センサモジュール８１０に接続される指紋センサコントローラ１２０によってプロセス１６００を実施する。
【０１１５】
力計測プロセス１６００は、ブロック１６０１で始まる。ブロック１６０１において、力センサスキャンモジュール２０７は、力センサ８１５を走査し、力センサ８１５上で圧力が検出されるまで待機する。力センサ８１５上で圧力が検出されているときに、ブロック１６０３において力が測定される。ブロック１６０５において、オブジェクトの表面パターンの画像に対するコントラストが計算される。
【０１１６】
ブロック１６０７において、力センサに関するベースラインがまだ初期化されてない場合、ブロック１６１１において、ベースラインをブロック１６０５から計算されるコントラスト値に設定する。コントラストをゼロに設定する。したがってベールラインは、オブジェクトに対する初期コントラスト値を表し、当該初期コントラスト値は、続いて測定されるコントラスト値を調整するために使用されることになる。一実施形態では、ベースラインコントラスト値を用いて、異なる指の間のコントラスト変動を補償する。したがって、加えられる力の変化に起因するコントラストの変化を、指に対するベースラインに関連付けて計算する。
【０１１７】
ブロック１６０７において、ベースラインが既に初期化されている場合、ベースラインをコントラスト値から減算し、コントラスト値をこの差と等しく設定する。ブロック１６１１及び１６０９から、プロセス１６００はブロック１６１３に続く。ブロック１６１３では、力の値及びコントラスト値をプロットして、力とコントラストとの間の関係を明らかにする。
【０１１８】
図１７は、指紋センサにおけるオブジェクトの導電性を、図１２に示す回路１２００等のインピーダンスセンシング回路を用いて測定するためのプロセス１７００を示す流れ図である。一実施形態では、導電性測定プロセス１７００は、プロセス１４００のブロック１４４５−１４５１の動作に対応する。
【０１１９】
導電性測定プロセス１７００によれば、インピーダンスセンシング回路１２００は、ブロック１７０１において、ＲＸ信号の直交変調に起因するＩ成分及びＱ成分のＭ個のサンプルを獲得することによって、オブジェクトの導電率を測定する。ＲＸ信号は、ＴＸ−Ｐ信号及びＴＸ−Ｎ信号をそれぞれ、初期周波数Ｆ０で電極セット１１１０及び１１２０に印加することによって生成される。ブロック１７０３において、インピーダンスセンシング回路１２００は、ブロック１７０１と同様であるが異なる周波数Ｆ１に対してＩ成分及びＱ成分のＭ個のサンプルを獲得する。Ｍは設定可能な整数値である。
【０１２０】
ブロック１７０５において、周波数Ｆ０に対するＩ成分及びＱ成分のＭ個の値を平均化し、周波数Ｆ１に対するＩ成分及びＱ成分のＭ個の値を平均化する。その後、周波数Ｆ０に対するベースラインＩ成分値及びＱ成分値を、周波数Ｆ０に対するＩ値及びＱ値の平均から減算し、周波数Ｆ１に対するベースラインＩ成分値及びＱ成分値を、周波数Ｆ１に対するＩ値及びＱ値の平均から減算する。
【０１２１】
ブロック１７０７において、スプーフィング検出ロジック２０８は、ブロック１７０５からの補償されているベースラインＩ値及びＱ値に基づいて、周波数Ｆ０及びＦ１に対する振幅AF0及びAF1を計算する。周波数Ｆ０に対応する振幅AF0を、 (IF02+ QF02) に等しく設定する。ここで、IF0及びQF0はそれぞれ、周波数Ｆ０に対するＩ成分及びＱ成分である。同様に、周波数Ｆ１に対応する振幅AF1を、 (IF12+ QF12) に等しく設定する。ここで、IF1及びQF1はそれぞれ、周波数Ｆ１に対するＩ成分及びＱ成分である。
【０１２２】
ブロック１７０９−１７１７において、スプーフィング検出ロジック２０８は、振幅AF0及びAF1のいずれかが、指に関して期待される振幅の許容範囲の外側に存在するかどうかに基づいて、及び比率AF1/AF0が指に関して期待される振幅比の許容範囲の外側に存在するかどうかに基づいて、オブジェクトをスプーフィング又は指として区別する。
【０１２３】
ブロック１７０９から、振幅AF0及びAF1のどちらも低振幅しきい値Amp_LO_THよりも高くない場合、ブロック１７１５において、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトをスプーフィングであるとして拒否する。これにより、高導電率及び低導電率を有する、シリコーン、金属粉と混合したシリコーン、カーボン糸を有するシリコーン、ラテックス塗料、木材用接着材又はＰＶＡ、エッチングされた銅が分離／露出したＦＰＣ等のスプーフィングを拒否する。一実施形態では、Amp_LO_THは経験上のプログラム可能なしきい値である。
【０１２４】
ブロック１７１１から、振幅AF0及びAF1がいずれも高振幅Amp_HI_THよりも高い場合、ブロック１７１５において、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトをスプーフィングであるとして拒否する。これにより、グラファイトフィルムで覆われたスプーフィングを拒否する。この場合には、表面を覆うグラファイトの隆線を、付近のＴＸ電極セット１１１０からＲＸリスナー電極１１０１に高い信号結合をもたらすが、離れたＴＸ電極セット１１２０から低い信号結合をもたらす、導電性アイランドであると考え得る。一実施形態では、Amp_HI_THは経験上のプログラム可能なしきい値である。
【０１２５】
ブロック１７１３から、振幅比AF0/AF1が低比率しきい値R_LO以下である場合、及び振幅比AF1/AF0が高比率しきい値R_HI以上である場合、ブロック１７１５において、スプーフィング検出ロジック２０８は、オブジェクトをスプーフィングであるとして拒否する。この条件により、木材用接着材又はグリセリンと混合したＰＶＡ、レーザカットパターンを有する導電性ゴム、グリセリンと混合したプレイドー（登録商標）等の中間導電率を有するスプーフィングを拒否する。一実施形態では、R_LO及びR_HIは経験上のプログラム可能なしきい値である。一実施形態では、Ｆ０及びＦ１でゲインが等しいインピーダンスセンシング回路１２００は、１．８に等しいしきい値R_LOと、５に等しいしきい値R_HIとを有する。ブロック１７０９，１７１１及び１７１３で試験されるそれぞれの条件を満たすと評価される場合、ブロック１７１７においてオブジェクトを実際の指として区別する。
【０１２６】
図１７Ｂは、導電性測定プロセス１７００に代えて又はこれに併せて使用できる、単純化した導電性測定プロセス１７２０を示す流れ図である。プロセス１７２０では、ブロック１７２７において、プロセス１７００のブロック１７０７と同様に、周波数Ｆ０及びＦ１のそれぞれに対して、Ｉ成分値及びＱ成分値から振幅を計算する。
【０１２７】
ブロック１７２９及び１７３１において、振幅AF0及びAF1をそれぞれ個々の、高しきい値及び低しきい値と比較する。ブロック１７２９から、振幅AF0がAF0_LOとAF0_HIとの間に存在しない場合に、ブロック１７３５において、オブジェクトをスプーフィングであると区別する。同様に、ブロック１７３１から、振幅AF1がAF1_LOとAF1_HIとの間に存在しない場合に、ブロック１７３５において、オブジェクトをスプーフィングであると区別する。ブロック１７２９及び１７３１において試験される条件のそれぞれを満たすと評価される場合、ブロック１７３７においてオブジェクトを実際の指として区別する。
【０１２８】
前述の実施形態において、様々な変更を行うことができ、例えば行センサ電極及び列センサ電極を交換でき、行センサ電極又は列センサ電極を、Ｔｘセンサ電極又はＲｘセンサ電極として使用できる。さらに、ある実施形態では、行センサ電極と列センサ電極との間の交点を、導電性ブリッジと置き換えることができる。例えば、行センサ電極及び列センサ電極の両方が導電性材料の単一層から構成されるときに、ブリッジを用いて、センサ電極の複数部分を電気的に接続できる。本明細書で説明するように、「電気的に接続される」又は「電気的に結合される」導電性電極を、比較的低抵抗の導電路が導電性電極間に存在するように結合することができる。「実質的に」等しいと記載される量又は大きさを、ノミナルで等しいが正確に等しい必要はない（製作公差、環境条件及び／又は他の要因による変動を有する）とすることができ、又は意図する効果若しくは利益を得るのに十分近くであるとすることができる。
【０１２９】
本明細書で説明する実施形態は、様々な動作を含む。これらの動作をハードウェア構成要素、ソフトウェア、ファームウェア又はこれらの組み合わせによって実施することができる。本明細書で使用される用語「に結合される」は、直接結合すること又は１つ以上の介在する構成要素を通じて間接的に結合することを意味することができる。本明細書で説明する様々なバスにわたって供給される信号のいずれかを、他の信号と時間多重として、１つ以上の共通バスにわたって供給することができる。さらに、回路部品又はブロック間の相互接続をバス又は単一の信号線として表すことができる。あるいは、バスのそれぞれを、１つ以上の単一信号線とすることができ、代わりに、単一信号線のそれぞれをバスとすることができる。
【０１３０】
ある実施形態を、コンピュータ可読媒体に記憶される命令を含み得るコンピュータプログラム製品として実装できる。これらの命令を用いて、汎用プロセッサ又は専用プロセッサをプログラムして、説明される動作を実施することができる。コンピュータ可読媒体は、機械（例えばコンピュータ）が読み取り可能な形式（例えばソフトウェア、処理アプリケーション）で、情報を記憶し又は送信するための任意の機構を含む。コンピュータ可読記憶媒体は、磁気記憶媒体（例えばフロッピーディスケット）、光記憶媒体（例えばＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気記憶媒体、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能プログラマブルメモリ（例えばＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ又は電子的命令を記憶するのに適した他の種類の媒体を含み得るが、これらに限定されるものではない。
【０１３１】
さらに、ある実施形態を、コンピュータ可読媒体が複数のコンピュータシステム上に保管され及び／又は複数のコンピュータシステムによって実行される、分散コンピューティング環境で実施できる。また、コンピュータシステム間で移される情報を、複数コンピュータシステムを接続する伝送媒体にわたってプルし又はプッシュすることができる。
【０１３２】
本明細書の方法の動作を特定の順序で図示し説明したが、各方法の動作の順序を変更して、特定の動作を逆の順序で実施すること、又は特定の動作を少なくとも部分的に他の動作と同時に実施することができる。他の実施形態では、命令、又は別個の動作のサブ動作を、周期的に及び／又は交互に行うことができる。ある実施形態では、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又は他のハードウェアベースのプロセッサは、ファームウェア、フラッシュメモリ又は指紋センサコントローラ及び／若しくはホストデバイスにアクセス可能な他の記憶媒体に記憶される命令を実行することによって、本明細書の方法の動作の一部又は全部を実施できる。
【０１３３】
前述した明細書において、特許請求の範囲に記載する主題を当該主題の具体的な例示的実施形態に関連して説明した。しかしながら、添付の特許請求の範囲に記載されるより広い発明の精神及び範囲から逸脱することなく、特許請求の範囲に記載する主題に対して様々な修正及び変更を行うことができることは明らかである。したがって、本明細書及び図面を、限定的な意図ではなく説明的な意図であると考える。
【図１】
2019527426.tif 000003
【図２】
2019527426.tif 000004
【図３Ａ】
2019527426.tif 000005
【図３Ｂ】
2019527426.tif 000006
【図４】
2019527426.tif 000007
【図５】
2019527426.tif 000008
【図６】
2019527426.tif 000009
【図７Ａ】
2019527426.tif 000010
【図７Ｂ】
2019527426.tif 000011
【図８Ａ】
2019527426.tif 000012
【図８Ｂ】
2019527426.tif 000013
【図９】
2019527426.tif 000014
【図１０】
2019527426.tif 000015
【図１１】
2019527426.tif 000016
【図１２】
2019527426.tif 000017
【図１３】
2019527426.tif 000018
【図１４Ａ】
2019527426.tif 000019
【図１４Ｂ】
2019527426.tif 000020
【図１５】
2019527426.tif 000021
【図１６】
2019527426.tif 000022
【図１７Ａ】
2019527426.tif 000023
【図１７Ｂ】
2019527426.tif 000024
【国際調査報告】
2019527426.tif 000025